Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance , также известная под аббревиатурой ARCHER , представляет собой систему аэрофотосъемки, которая создает изображения земли, гораздо более подробные, чем может сделать обычный вид или обычная аэрофотосъемка . [1] По словам официальных лиц правительства США, это самая сложная несекретная система гиперспектральной съемки из имеющихся. [2] ARCHER может автоматически сканировать подробные изображения для получения заданной сигнатуры разыскиваемого объекта (например, пропавшего самолета), [3] для обнаружения аномалий в окружающей местности или для обнаружения изменений по сравнению с предыдущими зарегистрированными спектральными сигнатурами. [4]
Он имеет прямое применение для поиска и спасания , борьбы с наркотиками , ликвидации последствий стихийных бедствий и оценки их последствий, а также обеспечения внутренней безопасности и был развернут Гражданским воздушным патрулем (CAP) в США на самолете с фиксированным крылом Gippsland GA8 Airvan австралийского производства . [2] CAP, гражданское вспомогательное подразделение ВВС США , является добровольной образовательной и общественной некоммерческой организацией, которая проводит поисково-спасательные работы на борту воздушных судов в США.
ARCHER — это дневная неинвазивная технология, которая работает, анализируя отраженный свет объекта. Она не может обнаруживать объекты ночью, под водой, под плотным покровом, под землей, под снегом или внутри зданий. [5] Система использует специальную камеру, направленную вниз через кварцевый стеклянный портал в нижней части самолета, который обычно летит на стандартной высоте миссии 2500 футов (760 метров) и 100 узлов (50 метров в секунду) скорости относительно земли. [6]
Системное программное обеспечение было разработано Space Computer Corporation из Лос-Анджелеса, а системное аппаратное обеспечение поставляется NovaSol Corp. из Гонолулу, Гавайи, специально для CAP. [5] [7] Система ARCHER основана на исследованиях и испытаниях гиперспектральной технологии, ранее проведенных Военно-морской исследовательской лабораторией США (NRL) и Научно-исследовательской лабораторией ВВС (AFRL). [7] CAP разработала ARCHER в сотрудничестве с NRL, AFRL и Центром исследований и разработок Береговой охраны США в рамках крупнейшего межведомственного проекта, который CAP реализовала за свою 74-летнюю историю. [8]
С 2003 года на разработку и развертывание было потрачено почти 5 миллионов долларов США, выделенных в соответствии с Законом об ассигнованиях на оборону 2002 года. [5] По состоянию на январь 2007 года [обновлять]CAP сообщила о завершении первоначального развертывания 16 самолетов по всей территории США и обучении более 100 операторов, но использовала систему только в нескольких поисково-спасательных операциях и не приписала ей первенство в обнаружении каких-либо обломков. [9] В ходе поисков в Джорджии и Мэриленде в 2007 году ARCHER обнаружила обломки самолета, но в обеих катастрофах никто не выжил, по словам полковника Дрю Алексы, директора по передовым технологиям и менеджера программы ARCHER в CAP. [1] Самолет, оборудованный ARCHER из крыла гражданской авиации Юты, использовался для поиска искателя приключений Стива Фоссета в сентябре 2007 года. [3] [10] ARCHER не обнаружил мистера Фоссета, но сыграл важную роль в обнаружении восьми ранее не отмеченных на карте мест крушения в высокогорной пустынной местности Невады , [11] [12] которым несколько десятилетий. [13] [14]
Полковник Алекса описала систему прессе в 2007 году: «Человеческий глаз видит в основном три полосы света. Датчик ARCHER видит 50. Он может видеть аномальные вещи в растительности, такие как металл или что-то из обломков самолета». [1] Майор Синтия Райан из Невадского гражданского воздушного патруля, также описывая систему прессе в 2007 году, заявила: «ARCHER — это по сути то, что используется в науках о Земле. Это довольно сложная штука… за пределами того, что человеческий глаз может обычно видеть», [15] Она уточнила далее: «Он может видеть валуны, он может видеть деревья, он может видеть горы, полынь, что угодно, но он говорит «не то» или «да, это». Удивительная часть этого в том, что он может видеть всего лишь 10 процентов цели и экстраполировать оттуда». [16]
В дополнение к основной поисково-спасательной миссии CAP протестировала дополнительные варианты использования ARCHER. [17] Например, CAP GA8, оснащенный ARCHER, использовался в пилотном проекте в Миссури в августе 2005 года для оценки пригодности системы для отслеживания выбросов опасных материалов в окружающую среду, [18] а один был развернут для отслеживания разливов нефти после урагана Рита в Техасе в сентябре 2005 года. [19]
С тех пор, в случае с рейсом, вылетающим из Миссури, система ARCHER доказала свою полезность в октябре 2006 года, когда она обнаружила обломки в Антлерсе, штат Оклахома. [20] Национальный совет по транспорту и безопасности был чрезвычайно доволен данными, предоставленными ARCHER, которые позже использовались для обнаружения обломков самолета, разбросанных на мили по пересеченной лесистой местности. В июле 2007 года система ARCHER идентифицировала разлив нефти, вызванный наводнением, возникший на нефтеперерабатывающем заводе в Канзасе, который распространился вниз по течению и вторгся в ранее не подозреваемые области водохранилища. [21] Клиентские агентства (EPA, Береговая охрана и другие федеральные и государственные агентства) сочли эти данные необходимыми для быстрого восстановления. В сентябре 2008 года гражданский воздушный патруль GA-8 из Техасского крыла искал пропавший самолет из Арканзаса. Он был найден в Оклахоме, идентифицирован одновременно наземными поисковиками и пролетающей системой ARCHER. Вместо прямой находки это было подтверждением точности и эффективности системы. При последующем восстановлении было обнаружено, что ARCHER нанес на карту область обломков с большой точностью. [ необходима цитата ]
Основные компоненты подсистемы ARCHER включают в себя: [6]
Пассивный гиперспектральный датчик спектроскопии изображений наблюдает за целью в многоспектральных диапазонах . Камера HSI разделяет спектры изображения на 52 «бина» от длины волны 500 нанометров (нм) на синем конце видимого спектра до 1100 нм в инфракрасном диапазоне , что дает камере спектральное разрешение 11,5 нм. [22] Хотя ARCHER записывает данные во всех 52 диапазонах, вычислительные алгоритмы используют только первые 40 диапазонов, от 500 нм до 960 нм, поскольку диапазоны выше 960 нм слишком шумные , чтобы быть полезными. [23] Для сравнения, нормальный человеческий глаз будет реагировать на длины волн приблизительно от 400 до 700 нм , [24] и является трихроматическим , то есть колбочки глаза воспринимают свет только в трех спектральных диапазонах.
Когда самолет ARCHER пролетает над областью поиска, отраженный солнечный свет собирается объективом камеры HSI. Собранный свет проходит через набор линз, которые фокусируют свет для формирования изображения земли. Система визуализации использует подход pushbroom для получения изображения. При подходе pushbroom фокусирующая щель уменьшает высоту изображения до эквивалента одного вертикального пикселя, создавая горизонтальное линейное изображение.
Горизонтальное линейное изображение затем проецируется на дифракционную решетку, которая представляет собой очень тонко протравленную отражающую поверхность, рассеивающую свет в спектры. Дифракционная решетка специально сконструирована и расположена для создания двумерного (2D) спектрального изображения из горизонтального линейного изображения. Спектры проецируются вертикально, т. е. перпендикулярно линейному изображению, благодаря конструкции и расположению дифракционной решетки. [ необходима цитата ]
Изображение 2D-спектра проецируется на двумерный датчик изображения с зарядовой связью (ПЗС), который выровнен таким образом, что горизонтальные пиксели параллельны горизонтали изображения. В результате вертикальные пиксели совпадают со спектрами, полученными с дифракционной решетки. Каждый столбец пикселей получает спектр одного горизонтального пикселя из исходного изображения. Расположение вертикальных пиксельных датчиков в ПЗС делит спектр на отдельные и неперекрывающиеся интервалы. Выход ПЗС состоит из электрических сигналов для 52 спектральных полос для каждого из 504 горизонтальных пикселей изображения. [ необходима цитата ]
Бортовой компьютер записывает выходной сигнал ПЗС с частотой кадров шестьдесят раз в секунду. На высоте самолета 2500 футов над уровнем земли и скорости 100 узлов частота кадров 60 Гц соответствует разрешению изображения земли приблизительно один квадратный метр на пиксель. Таким образом, каждый кадр, полученный с ПЗС, содержит спектральные данные для полосы обзора земли длиной приблизительно один метр и шириной 500 метров. [23]
Черно-белая или панхроматическая камера с высоким разрешением (HRI) устанавливается рядом с камерой HSI, чтобы обе камеры могли захватывать один и тот же отраженный свет. Камера HRI использует подход pushbroom, как и камера HSI, с аналогичным расположением линз и щелей, чтобы ограничить входящий свет тонким широким лучом. Однако камера HRI не имеет дифракционной решетки для рассеивания входящего отраженного света. Вместо этого свет направляется на более широкую ПЗС-матрицу для захвата большего количества данных изображения. Поскольку она захватывает одну строку изображения земли за кадр, ее называют камерой со строчным сканированием. ПЗС-матрица HRI имеет ширину 6144 пикселя и высоту одного пикселя. Она работает с частотой кадров 720 Гц. При скорости поиска ARCHER и высоте (100 узлов над землей на высоте 2500 футов над уровнем земли) каждый пиксель на черно-белом изображении представляет собой область земли размером 3 на 3 дюйма. Это высокое разрешение добавляет возможность идентифицировать некоторые объекты. [23]
Монитор в кабине пилота отображает подробные изображения в реальном времени, а система также регистрирует изображение и данные Глобальной системы позиционирования со скоростью 30 гигабайт (ГБ) в час для последующего анализа. [1] Бортовая система обработки данных выполняет многочисленные функции обработки в реальном времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, постановку меток и чипирование, точную георегистрацию изображений , а также отображение и распространение продуктов изображений и информации о целях. [25]
ARCHER имеет три метода обнаружения целей:
При обнаружении изменений определяются изменения сцены, а новые, перемещенные или ушедшие цели выделяются для оценки. [2] При сопоставлении спектральных сигнатур система может быть запрограммирована с параметрами пропавшего самолета, такими как цвета краски, чтобы предупредить операторов о возможном крушении. [3] Ее также можно использовать для поиска определенных материалов, таких как нефтепродукты или другие химикаты, выброшенные в окружающую среду, [18] или даже обычных предметов, таких как общедоступные синие полиэтиленовые брезенты . В роли оценки воздействия информация о местонахождении синих брезентов, используемых для временного ремонта зданий, поврежденных штормом, может помочь направить усилия по ликвидации последствий стихийных бедствий; в роли борьбы с наркотиками синий брезент, расположенный в отдаленном районе, может быть связан с незаконной деятельностью. [27]
ARCHER … способна делать панхроматические аэрофотоснимки, гораздо более подробные, чем можно получить с помощью обычного взгляда или обычной фотографии.
Самая сложная из доступных несекретных систем гиперспектральной визуализации.
Согласно CAP, набор параметров, описывающих предполагаемую цель, включая ее цвет и форму, запрограммирован в системе ARCHER.
HSI — также упоминается как «ARCHER». HSI — это пассивная сенсорная система, которая наблюдает за целью в многоспектральных диапазонах.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )HSI — это дневная неинвазивная технология, которая работает путем анализа отраженного света объекта.
ARCHER содержит усовершенствованную систему гиперспектральной визуализации (HSI) и панхроматическую камеру высокого разрешения (HRI).
Каждая система ARCHER состоит из разработанного NovaSol датчика гиперспектральной визуализации (HSI) в видимом/ближнем инфракрасном диапазоне (VNIR), совмещенного с антенной видимого панхроматического датчика высокого разрешения (HRI) и блока GPS/INS CMIGITS-III в интегрированной сборке датчиков, установленной внутри кабины GA-8. ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения многочисленных функций обработки в реальном времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, наведение и чипирование, точную георегистрацию изображений, а также отображение и распространение продуктов изображений и информации о целях.
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )Доктор Пол Шуда (CAP) сообщил, что Гражданский воздушный патруль завершил первоначальное развертывание шестнадцати воздушных разведывательных систем с гиперспектральным усилением и функцией подсказки в реальном времени…
…самолет из крыла Юты Гражданского воздушного патруля прибыл в среду с оборудованием, способным собирать гиперспектральные и панхроматические изображения…
Хотя Archer не обнаружил г-на Фоссета, он сыграл важную роль в обнаружении по меньшей мере восьми ранее незамеченных авиакатастроф в суровом регионе Сьерра-Невада.
...поисковые группы обнаружили обломки восьми других самолетов, которые годами пропадали в горах западной Невады и вокруг них.
…еще один сбитый самолет в пятницу, который был замечен на склоне холма примерно в 45 милях к юго-востоку от Рино … оказался старой аварией, самолет последний раз был зарегистрирован в Орегоне в 1975 г.
…до появления высокотехнологичных поисковых гаджетов, таких как система визуализации ARCHER, которая может идентифицировать цели размером с мотоцикл с расстояния 2500 футов. Одно из мест крушения, обнаруженных командой Фоссета, может датироваться 1964 годом…
«ARCHER — это, по сути, то, что используется в геонауках», — сказал Райан. «Это довольно сложная штука… за пределами того, что может увидеть человеческий глаз».
«Он может видеть валуны, деревья, горы, полынь, что угодно, но он говорит «не то» или «да, это»», — сказала она.[ мертвая ссылка ]
CAP нашла много дополнительных применений для ARCHER, включая миссии по обеспечению внутренней безопасности, оценке последствий стихийных бедствий и пресечению оборота наркотиков.
Департамент природных ресурсов Миссури ... реализует пилотный проект по оценке экологических приложений ARCHER ...
Самолет Gippsland Aeronautics GA-8 'Airvan' … прибыл в аэропорт Западного Хьюстона для оказания помощи в оценке последствий урагана Рита.
ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения многочисленных функций обработки в реальном времени…
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )…сопоставление сигнатур (сопоставление отраженного света со спектральными сигнатурами), обнаружение аномалий (вычисляет статистическую модель всех пикселей на изображении, чтобы увидеть, есть ли вероятность того, что пиксель не соответствует).
Брезент в отдаленной лесистой местности — полезен для борьбы с наркотиками.